碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响EI

采用不同面密度和丝束大小的碳纤维布,通过不同z向缝合方式编织了两种碳布叠层结构的碳纤维预制体,再经化学气相渗透法(chemical vapor infiltration,CVI)与气相渗硅法(gaseous silicon infiltration,GSI)联用制备了C/C-SiC复合材料。研究了碳纤维预制体结构对CVI-GSI C/C-SiC复合材料微观结构与力学性能的影响。结果表明,由纤维体积分数与C/C素坯密度都相同的预制体所制备的两种复合材料的密度、各相组成、结构与性能均大不相同。较小的碳纤维丝束(1K)和碳布面密度(92 g/m^(2)),以及锁式缝合留下的较大孔隙为GSI反应中Si蒸气的渗透提供了更加充足的通道,最终制备的T1复合材料孔隙率低、结构均匀、性能更高,其弯曲强度、模量和断裂韧度分别为300.97 MPa,51.75 GPa,11.32 MPa·m^(1/2)。初始预制体结构和C/C中间体结构的综合调控是CVI-GSI联用工艺制备高性能C/C-SiC复合材料的关键。     

碳纤维预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响

以2D碳纤维预制体为增强体, 采用电耦合和等温化学气相渗联合工艺制备C/C复合材料, 研究不同预制体结构对C/C复合材料及其螺栓力学性能的影响。结果表明, 不同预制体结构增强的C/C复合材料表现出不同的力学行为。对于针刺结构, 随着针刺密度由35 pin/cm ²降至25 pin/cm ², C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由60.1、119.9 MPa增大至69.5、176.8 MPa; 随着碳纱丝束由12 K变为3 K, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别由69.5、176.8 MPa增大至105.5、184.4 MPa。对于12 K双向缝合结构, C/C复合材料的拉伸、弯曲强度分别为68.1、123.7 MPa。不同碳纤维预制体结构增强的C/C复合材料力学性能的差异主要取决于长纤维的完整性、大孔的分布和数量等因素。C/C复合材料的螺栓性能由于体材料性能和加工过程中缺陷的影响, 其拉伸强度略低于其体材料, 并表现出更为明显的脆性断裂模式。     

C/C-SiC复合材料的反应烧结法制备及应用进展

C/C-SiC复合材料具有轻质、高模、高热导率、低热膨胀系数、高温抗氧化等优异性能,是很好的高温结构材料。从C纤维的涂层保护、C/C多孔体的优化设计、反应烧结渗硅3个方面概述了C/C-SiC复合材料的反应烧结工艺制备过程;综述了C/C-SiC复合材料在航空航天、空间光学系统、刹车制动等领域的相关应用进展;展望了C/C-SiC复合材料制备工艺和应用方面的发展趋势。     

高温热处理对C/C-SiC复合材料制备与力学性能的影响

以针刺整体炭毡为坯体,采用树脂浸渍和化学气相沉积混合法制备C/C多孔体,然后熔硅浸渗制得C/C-S iC复合材料;研究了C/C多孔体的高温热处理对C/C-S iC复合材料密度、孔隙度、力学性能及断裂方式的影响。结果表明:炭涂层进行高温热处理可改变复合材料的弯曲断裂方式,使其具有一定的“假塑性”,弯曲强度下降约16%,压缩强度提高约20%,硬度增加;C/C多孔体的最终高温热处理可打开孔隙,有利于液S i的渗入,制备出密度较高(>2.0 g.cm-3)、开孔率较小(<4%)的复合材料,但导致其力学性能下降,基本上不影响其断裂方式。     

短纤维增强C/C-SiC复合材料的微观结构与力学性能EI北大核心CSCD

综合原料的热物理性能分析和配比设计,实现了C/C复合材料载体孔隙体积的精细控制,采用热压-熔渗两步法在低温条件下制备了具有高致密、低残余Si含量特征的短碳纤维增强C/C-SiC复合材料。系统解析了C/C-SiC复合材料成型过程中的结构演变行为,研究了短纤维增强C/C-SiC复合材料的力学性能和失效机制。结果表明:多孔C/C复合材料载体孔隙的孔径呈双极分布特征,添加芳纶纤维可提高网络孔隙结构的连通性,具有显著的孔隙结构调控作用。SiC基体以网络骨架形态分布于C/C-SiC复合材料内部,与纤维束形成了强界面结合钉扎结构,高含量纤维协同作用下使C/C-SiC复合材料具有优异的综合力学性能,添加芳纶纤维可明显增加复合材料内部裂纹扩展路径,提高C/C-SiC复合材料的断裂韧性。碳纤维的面内各向同性分布及陶瓷相层间均匀分布对C/C-SiC复合材料承载、摩擦稳定性提升均具有积极作用。     

素坯密度对气相渗硅制备C/C-SiC复合材料结构与性能的影响

三维针刺碳毡经化学气相渗透(Chemical Vapor Infiltration,CVI)增密制备C/C素坯,通过气相渗硅(Gaseous Silicon Infiltration,GSI)制备C/C-SiC复合材料。研究素坯密度与CVI C层厚度及素坯孔隙率的变化规律,并分析素坯密度对C/C-SiC复合材料力学性能、热学性能的影响。结果表明:随着素坯密度增大,CVI C层变厚,孔隙率减小;C/C-SiC复合材料中残C量随之增大,残余Si量随之减小,SiC先保持较高含量(体积分数约40%),随后迅速降低,C/C-SiC复合材料密度逐渐减小,力学性能先增大后减小,而热导率及热膨胀系数降低至平稳。当素坯密度为1.085g/cm3时,复合材料力学性能最好,弯曲强度可达308.31MPa,断裂韧度为11.36MPa·m1/2。研究发现:素坯孔隙率较大时,渗硅通道足够,残余硅多,且CVI C层较薄,纤维硅蚀严重,C/C-SiC复合材料力学性能低;素坯孔隙率较小时,渗硅通道很快阻塞,Si和SiC含量少,而闭孔大且多,C/C-SiC复合材料力学性能也不高。     

三维机织预制体结构对C/C复合材料力学性能的影响

本工作设计并用炭纤维织造了两种不同结构的三维预制体,即三维角联锁结构(JLS)和三向正交结构(SZJ),采用化学气相渗透(CVI)致密和液相树脂浸渍/炭化的增密工艺,制备出C/C复合材料,测试并对比分析了拉伸性能和冲剪性能.结果表明:预制体结构对C/C复合材料的力学性能有很大影响,同时决定拉伸断裂破坏模式.三向正交结构C/C复合材料的力学性能好于三维角联锁结构的C/C复合材料.     

高性能制动系统用炭纤维增强炭和SiC双基体(C/C-SiC)复合材料

C/C-SiC制动材料具有密度低、耐高温、制动平稳、摩擦因数高、磨损少和环境适应性强等优点,是一种能满足高速高能载制动的高性能轻质材料。本文以针刺炭纤维整体毡为预制体,采用化学气相渗透法制备C/C多孔体,然后熔融渗硅制得C/C-SiC材料;研究了C/C-SiC材料的组织结构、力学性能及其失效模式、摩擦磨损性能及机理,同时介绍了中南大学研制的C/C-SiC制动材料的应用现状。     

添加Al对MSI制备C/C-SiC复合材料组织和力学性能的影响

以聚丙烯腈( PAN) 基炭纤维(Cf ) 针刺整体毡为预制体, 用化学气相渗透(CVI) 法制备炭纤维增强炭基体(C/ C) 的多孔坯体, 采用熔融渗硅(MSI) 法制备C/ C-SiC 复合材料, 研究了渗剂中添加Al 对复合材料组织结构和力学性能的影响。结果表明: C/ C 坯体反应溶渗硅后复合材料的物相组成为SiC 相、C 相及残留Si 相。随着渗剂中Al 量的增加, 材料组成相中的Al 相也增加而其它相减少; SiC 主要分布在炭纤维周围, 残留Si 相分布在远离炭纤维处, 而此处几乎不含Al ; 当渗剂中Al 量由0 增加到10 %时, 复合材料的抗弯强度由116. 7 MPa 增加到175. 4 MPa , 提高了50. 3 % , 断裂韧性由5. 8 MPa·m1/2增加到8. 6 MPa·m1/2 , 提高了48. 2 %。Al 相的存在使复合材料基体出现韧性断裂的特征。      

C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备及性能的影响

以准三维针刺碳纤维预制体,经化学气相渗透(CVI)法制备了4种密度的C/C多孔体,利用先驱体浸渍裂解法(PIP)制备了C/C-SiC复合材料,研究了C/C多孔体对C/C-SiC复合材料制备和最终性能的影响。结果表明:C/C多孔体密度越低,最终得到的C/C-SiC复合材料开孔隙率及SiC含量较高。SiC的存在使C/C-SiC材料具有较高的弯曲强度,纤维和基体界面也是影响弯曲强度的关键因素,其中密度为1.35g/cm3的C/C多孔体所制备的C/C-SiC复合材料纤维和基体之间形成较好的结合界面,其弯曲强度最大。同时,SiC含量增加可显著提高C/C-SiC复合材料的抗烧蚀性能。     

熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的研究进展

综述了熔融渗硅法制备C/C-SiC复合材料的国内外研究和应用现状,重点分析了碳纤维预制体和C/C多孔体的制备,以及熔融渗硅过程对C/C-SiC复合材料性能和结构的影响,介绍了C/C-SiC复合材料作为热结构和摩擦材料在航空航天和先进摩擦制动系统中的应用,提出了C/C-SiC复合材料制备过程中存在的问题和今后研究的重点.     

变密度针刺碳纤维预制体及其力学性能

设计了一种表层密度较低而里层密度较高的变密度无纬布/网胎层针刺炭纤维预制体。对制得的变密度预制体和恒密度预制体,通过用排水法测试比较预制体的实际密度和孔隙率,用扫描电子显微镜(SEM)分析变密度预制体预制体的切面结构,用毛管流动孔隙仪分析比较预制体孔径分布,通过万能力学强力仪测试比较预制体弯曲力学性能,并对其在CVI制备C/C复合材料过程中的优点进行了展望。     

预制体对C/C复合材料热膨胀系数的影响

以天然气为前驱气体,整体碳毡和2D针刺碳毡为预制体,采用热梯度化学气相渗积技术制备了两种C/C复合材料,其表观密度均为1.74 g/cm3。借助光学显微镜和扫描电子显微镜观察了热解碳基体的生长特征和微观形貌,采用热膨胀仪测量了两种材料的热膨胀系数(CTE),研究了由不同预制体增强C/C复合材料的CTE,解释了造成材料不同方向CTE差异的主要原因。结果表明,随着温度升高,材料A和B的CTE是逐渐升高的,且Z向CTE值均大于XY向。当两种材料在Z向的纤维体积分数接近时,随着XY方向纤维体积分数增大,材料在Z向的CTE增大,在XY向的CTE降低,两种材料在XY和Z向的CTE呈如下分布:αB-Z>αA-Z>αA-XY>αB-XY。C/C复合材料的CTE主要取决于纤维体积分数和排布、碳基体及材料中的孔隙分布情况,前者起决定作用。     

两种双基体C/C复合材料的微观结构与力学性能

借助偏光显微镜、扫描电镜以及力学性能测试研究了两种双基体C/C复合材料的微观结构与力学性能。结果表明:基体碳在偏光显微镜下呈现出热解碳的光滑层组织,沥青碳的各向同性、镶嵌和流域组织。在SEM下普通沥青碳为"葡萄状"结构,中间相沥青碳为片层条带状结构。具有多层次界面结构的材料可以提高材料的弯曲强度,改善材料的断裂韧度,两种材料在载荷-位移曲线中载荷为台阶式下降,呈现出假塑性断裂特征。材料A和材料B的弯曲强度分别为206.68,243.66MPa,断裂韧度分别为8.06,9.66MPa·m1/2,材料B的弯曲强度、断裂韧度均优于材料A。     

化学气相渗透法制备碳/碳复合材料的研究进展

化学气相渗透(CVI)是在多孔预制体内部进行的化学气相沉积(CVD),是制备碳/碳(C/C)复合材料最重要的方法之一.介绍了CVI制备C/C复合材料的原理和近年来研究取得的进展,分析和讨论了各种CVI新工艺的特点,最后展望了CVI新工艺的研究方向.     

CVI处理对浸渍裂解法制备C/C-SiC复合材料弯曲性能的影响（英文）

以2D叠层炭布为增强体,以掺加硅粉、炭粉和碳化硅粉3种无机粉体的糠酮树脂为前驱体,经浸渍、热压固化、炭化裂解和高温热处理过程制备出炭/炭-碳化硅（C/C-SiC）复合材料。采用多功能密度测试仪、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）和力学万能试验机,研究了硅粉、炭粉和碳化硅粉的掺加量以及后续化学气相渗透（CVI）处理对C/C-SiC复合材料致密度、微观结构及抗弯强度的影响。结果表明：硅粉、炭粉和碳化硅粉掺加后所形成的碳化硅颗粒对复合材料起到颗粒弥散增强的作用。具体而言,粉体掺加量越多,C/C-SiC复合材料越致密,抗弯强度越大;在三点弯曲载荷作用下,C/C-SiC复合材料呈假塑性断裂模式,并且出现层间开裂现象。对C/C-SiC复合材料进行10h CVI处理后发现,形成的热解炭可以作为炭纤维与树脂炭基体之间的界面,弥补了树脂炭的微孔,相比于未进行CVI处理的C/C-SiC复合材料,密度最大提高了4.98%,抗弯强度最大提高了38.86%。     

纤维种类对炭/炭复合材料微观结构和力学性能的影响(英文)

采用6 K的预氧丝和炭纤维制备预制体,通过化学气相渗积制备炭/炭复合材料。通过偏光显微镜、拉曼光谱、纳米硬度和三点弯曲等手段研究其微观结构和力学性能。结果表明,预氧丝复合材料的基体为暗层和粗糙层炭,厚度分别为1.4-2.6μm和10.2-11.6μm;而炭纤维复合材料的基体为光滑层和粗糙层炭,厚度分别为8μm和4.4μm;预氧丝纤维的模量和硬度明显小于炭纤维,同时基体的模量和硬度随消光角的增加而降低;低模量的基体和纤维导致预氧丝复合材料的拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度和模量分别降低了14.5%-24.2%、9.7%-19.8%、7.3%-15.4%和15.1%-18.6%;但其韧性指数却提高了224%-235%,这是高含量的粗糙层炭和纤维的石墨化收缩所致;同时提出了一个三单元复合模型用来模拟复合材料的拉伸模量,模拟误差小于9.9%。     

CVI-GSI工艺制备C/C-SiC复合材料的组成结构与力学性能

采用密度为1.0g/cm~3的C/C素坯,联合化学气相渗透(CVI)和气相渗硅(GSI)2种工艺制备C/C-SiC复合材料,研究CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度对CVI-GSI C/C-SiC复合材料物相组成、微观结构及力学性能的影响。结果表明:随着CVI C/C-SiC复合材料中间体密度的增大,CVI-GSI C/C-SiC复合材料C含量增多,残余Si含量减少,SiC含量先增多后减少,CVI-GSI C/C-SiC复合材料的密度先增大后减小;随着CVI C/C-SiC复合材料中间体的密度由1.27g/cm~3增加到1.63g/cm~3时,得到的CVI-GSI C/C-SiC复合材料的力学性能先升高后降低。当CVI C/C-SiC复合材料密度为1.42g/cm~3时,制得的CVI-GSI C/C-SiC复合材料力学性能最好,其弯曲强度为247.50MPa,弯曲模量为25.63GPa,断裂韧度为10.08MPa·m~(1/2)。     

考虑孔隙和微裂纹缺陷的C/C-SiC编织复合材料等效模量计算

通过观察C/C-SiC复合材料组元分布的扫描电子显微镜(SEM)照片 , 获得了C/C-SiC复合材料化学气相渗透(CVI)制备过程中产生孔隙和微裂纹的几何信息。在此基础上 , 建立了包含孔隙和微裂纹的C/C-SiC微结构有限元模型 , 并利用均匀化等效计算方法预测了平纹编织C/C-SiC复合材料的模量。针对CVI沉积方式制备的2组不同的C/C-SiC复合材料 , 实验测试与等效计算结果表明 : 基于 SEM照片建立的C/C-SiC纤维束和复合材料微结构有限元模型 , 能够反映CVI工艺制备C/C-SiC中孔隙和微裂纹的分布状况; 计算结果与实验数据有良好的一致性 , 数值计算可有效预测C/C-SiC编织复合材料的模量。